Введение к работе
Актуальность работы. Строительство подземных инженерных коммуникаций закрытым способом и с применением защитного кожуха гарантирует сохранение дорожного полотна от просадки, а также обеспечивает прокладку коммуникаций в неустойчивых грунтах. Наибольшую сложность представляет сооружение подземных переходов диаметром до 1000 - 1200 мм, поскольку оператор, управляющий проходческой техникой, практически не может находиться в сооружаемой скважине или микротоннеле. Наиболее применимыми в настоящее время методами бестраншейной прокладки коммуникаций являются:
горизонтально направленное бурение;
статическое продавливание стальных труб и микротоннелирование;
прокол скважин автономно движущимся в грунте ударным механизмом -пневмопробойником;
виброударное продавливание в грунт стальных труб пневмомолотом.
Несмотря на все большее распространение в строительной отрасли трубопроводов из неметаллических материалов применение стальной трубы в качестве защитного кожуха занимает не менее 20 % рынка бестраншейной прокладки коммуникаций. Это объясняется сопоставимой стоимостью стальной и пластиковой трубы, повышает надёжность защиты от механического повреждения прокладываемых внутри кожуха сетей при производстве земляных работ, простыми в эксплуатации и недорогими техническими средствами прокладки.
Пневмомолоты в настоящее время являются наиболее простыми, надёжными и в тоже время высокоэффективными средствами для бестраншейной прокладки трубопроводов. В мире, благодаря усилиям специалистов ИГД СО РАН, фирм "Trakto-Techhik", "Vermeier" и других сложились определённые требования к конструкции молотов и условиям их применения, накоплен огромный опыт конструирования и эксплуатации пневмомолотов.
Анализ этого опыта позволяет утверждать, что для повышения эффективности прокладки стальных труб под дорогами требуется увеличение энергии удара пневмомолота и снижение расхода воздуха. Это обеспечит надёжное забивание трубной плети на максимальную длину без образования грунтовой пробки и с минимальными затратами. Поэтому создание молота с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками по-прежнему актуально.
Цель работы. Обоснование необходимости и возможности реализации переменной структуры ударной мощности в пневмомолоте для бестраншейной
прокладки подземных коммуникаций, увеличение в нем соотношения энергии удара и расхода воздуха, и создание на основе полученных результатов высокоэффективных технических средств погружения в грунт стальных труб методом виброударного продавливания.
Идея работы. Изменение структуры ударной мощности пневмомолота при постоянной энергии удара достигается регулированием расхода воздуха путём наполнения камеры холостого хода ударника сжатым воздухом через дроссельный канал регулируемого сечения и управлением рабочим циклом с помощью упругого клапана.
Задачи исследований:
-
Определение условий и границ повышения энергии удара в пневмомолоте с одной управляемой камерой. Разработка и обоснование принципиальной схемы воз-духораспределения, обеспечивающей изменение структуры ударной мощности и повышение энергии удара.
-
Аналитическое исследование рабочего цикла пневмомолота с упругим клапаном в канале выхлопа управляемой рабочей камеры и с инерционным клапаном в впускном дроссельном канале, определение условий эффективной работы упругого клапана и рациональных значений основных параметров и размеров пневмомолота.
-
Экспериментальное определение рациональных настроек инерционного клапана и расходных характеристик пневмомолотов типоразмерного ряда, установление условий предельного изменения частоты ударов.
-
Экспериментальное обоснование возможности удаления грунтового керна из трубы при одновременном действии ударной нагрузки на трубу и статической на керн.
-
Обоснование конструктивных схем и параметров устройств снижения напряжений в элементах конструкции стендов для испытания пневмомолотов и проходческого оборудования путём изменения параметров передаваемого им ударного импульса.
-
Разработка методики расчёта пневмомолотов, обоснование технических параметров типоразмерного ряда. Создание пневмомолотов, их промышленная проверка и реализация в практике специальных строительных работ по бестраншейной прокладке подземных коммуникаций и погружения в грунт широкого спектра конструктивных элементов.
Методы исследований. Включают анализ результатов предшествующих работ, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического анализа и физического моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
В пневмомолоте с одной управляемой камерой рабочий цикл без противодавления обеспечивается упругим клапаном с механическим замыканием по внутренней поверхности корпуса. Отсутствие противодавления в управляемой камере позволяет получить требуемое значение энергии удара при меньшем на 40 % рабочем ходе ударника по сравнению с молотом, использующим энергию расширяющегося воздуха, а также увеличить при одинаковых размерах молотов массу ударника в 1,5 раза.
-
Продолжительность наполнения камеры холостого хода сжатым воздухом регулируется сечением дроссельного канала между двумя рабочими камерами, обеспечивая тем самым переменную структуру ударной мощности пневмомолота за счёт изменения частоты ударов и секундного расхода воздуха при сохранении на одном уровне энергии удара.
-
Эффективная работа кольцевого упругого клапана достигается при его относительной деформации в пределах 10 - 15 %, кольцевым расположением выпускного отверстия, контактным давлением в зоне скольжения клапана по седлу, не превышающим сетевого давления сжатого воздуха, и с углом контакта клапана с седлом, равным 5 - 15.
-
Предельное значение наибольшей частоты ударов для любой длины рабочего хода ударника определяется минимально возможным отношением продолжительности обратного и прямого хода, равным 1,55. Предельное значение минимальной частоты ударов в 4,4 раза меньше максимальной частоты. Уменьшение сечения калиброванного отверстия в седле инерционного клапана и увеличение массы этого клапана способствует повышению экономичности работы пневмоударного устройства в среднем на 15 %.
-
Новый способ удаления грунтового керна обеспечивает высокую производительность очистки трубы при уровне энергии удара на перемещение трубы относительно керна не выше, чем для погружения в грунт, что достигается при статическом давлении до 0,6 МПа на керн во встречном удару направлении.
-
При изменении от 0 до 4,8 МПа давления сжатия демпфирующего волокнистого материала в поглотителе энергии амплитуда ударного импульса, прошедшего через поглотитель, увеличивается пропорционально давлению, причем увеличение в 4 раза давления сжатия демпфирующего материала вызывает рост амплитуды ударного импульса в 2 - 3 раза, и уменьшение его длительности вдвое. Толщина слоя демпфирующего материала для полного поглощения энергии удара пневмомолота зависит не только от диаметра поршневой камеры энергопоглати-теля стенда, но и от коэффициента трения по боковой поверхности.
7. Длина рабочего хода является основным параметром, который вместе с сечением дроссельного канала определяет максимальную частоту ударов, а вместе с диаметром камеры прямого хода и давлением сжатого воздуха - энергию единичного удара. Пропорциональное увеличение площади сечения камеры прямого хода и площади сечения калиброванного отверстия обеспечивает сохранение частоты ударов на одном уровне. Выбор массы ударной части в качестве главного параметра пневмомолота наиболее точно отражает его энергетические, экономические и производственные возможности и является основной характеристикой ти-поразмерного ряда.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных исследований с результатами стендовых и промышленных испытаний опытных образцов машин и оборудования.
Научная новизна работы.
-
Обоснован рабочий цикл без противодавления в камере обратного хода, который обеспечивает значительное повышение энергии удара при меньшем рабочем ходе ударника и позволяет в тех же габаритах устройства применить ударник с увеличенной массой.
-
Установлено влияние дроссельного впуска и инерционного клапана на продолжительность обратного хода, частоту ударов, секундный и удельный расход воздуха. Определено наибольшее значение частоты ударов для определенной длины рабочего хода ударника.
-
Определены основные принципы конструирования системы воздухораспреде-ления пневмомолота, которые обеспечивают лёгкий запуск в работу, снижают требования к точности изготовления основных деталей и эксплуатации машины, повышают надёжность и срок службы.
-
В качестве главного параметра пневмомолота выбрана масса ударной части, которая наиболее точно отражает энергетические, экономические и производственные возможности данной машины. Установлено, что длина рабочего хода является основным параметром, который определяет максимальную частоту ударов, а вместе с диаметром камеры прямого хода - энергию единичного удара.
-
Выявлены условия, при которых осуществима непрерывная очистка полости трубы от грунтового керна. Предложен способ реализации этих условий на практике.
-
Установлены основные факторы, влияющие на амплитуду ударного импульса и на способность поглотителя энергии испытательного стенда, выполненного в виде
поршневой камеры, заполненной волокнистым демпфирующим материалом, поглощать энергию удара.
Личный вклад автора состоит:
в обобщении известных результатов, постановке проблемы и задач исследований;
в выборе и обосновании энергосберегающей схемы воздухораспределения;
в разработке принципиальной схемы устройства ударного действия с кольцевым упругим и инерционным клапанами и аналитическом исследовании его рабочего цикла;
в постановке экспериментальных исследований и участии в стендовых и промышленных испытаниях опытных образцов машин;
в разработке методики расчёта основных параметров и создании основ конструирования пневмомолотов с упругим клапаном в системе воздухораспределения;
в разработке и создании полного типоразмерного ряда пневмомолотов для забивания труб в грунт;
в обосновании и разработке непрерывного метода очистки полости трубы от грунтового керна, участии в его стендовых и производственных испытаниях;
в руководстве и непосредственном участии в проведении экспериментальных исследований, связанных с изменением параметров ударного импульса, проходящего через поршневую камеру, заполненную демпфирующим материалом.
Практическое значение результатов работы заключается в следующем:
обосновано направление создания пневмоударных машин для погружения труб с качественно лучшими по сравнению с аналогами энергетическими характеристиками;
комплексно решена проблема реализации технологии виброударного продав-ливания простыми, надёжными и высокоэффективными техническими средствами;
создан эффективный, надёжный, экономичный и удобный в эксплуатации пневмомолот, обладающий лёгким запуском и согласуемой с компрессором расходной характеристикой, защищенный патентами РФ.
Реализация работы. Разработан, изготовлен и полностью испытан в условиях производства типоразмерный ряд пневмомолотов, состоящий из 15 наименований с массой ударной части от 0,5 до 1000 кг. Пневмомолоты способны осуществлять забивание в грунт стальных труб диаметром до 1220 мм и более как вертикальных, так и горизонтальных длиной до 40 м и более.
На Опытном заводе СО РАН и в экспериментальных электромеханических мастерских ИГД СО РАН организовано единичное и мелкосерийное производство оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций и для забивания вертикальных труб, включающее в качестве основной единицы пневмомолот с технологической оснасткой.
За период с 2001 по 2008 год на договорных условиях передано в эксплуатацию строительным предприятиям Российской Федерации и за рубеж более 50 единиц произведённого оборудования из типоразмерного ряда на общую сумму более 15 млн. рублей.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Всероссийской научно-практической конференции "Перспективы развития технологий и средств бурения" (г. Кемерово, КузГТУ, 1995 г.); на второй международной конференции "Динамика и прочность горных машин" (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2003 г.); на международном научном симпозиуме "Неделя Горняка" (г. Москва, МГГУ, 2004 г.); на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук», посвященной 60-летию ИГД СО РАН (Новосибирск, 2006 г.); на конференции с участием иностранных ученых "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосферы" (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2006 г.); на международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Сибирского государственного университета путей сообщения (Новосибирск, 2007 г.); на 26-ой международной конференции по бестраншейным технологиям No-Dig 2008 (г. Москва); на конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосферы» с участием иностранных ученых (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы. В том числе: в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК - 16 статей, в других изданиях - 17 работ, получено - 21 авторское свидетельство и 18 патентов на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и приложений, содержит 289 страниц текста, 15 таблиц, 111 рисунков и библиографический список литературы из 162 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Борису Николаевичу Смоляницкому за неоценимую помощь при работе над диссертацией. Особая благодарность сотрудникам лаборатории механизации за участие и практическую помощь в создании пневмомолотов: В.В. Трубицыну, И.В. Тищенко, И.Э. Веберу, И.П. Леонову, Н.П. Чепурному, А.В. Червову, В.В. Москаленко, А.С. Смоленцеву, С.Н. Трифонову, Л.Н. Купреевой.
